水利安全中混凝土松软程度报警网络模型仿真.pdf

水利安全中混凝土松软程度报警网络模型仿真 张建伟1 ’2 ( 1 ．郑州大学信息工程学院，河南郑州4 5 9 0 0 0 ；2 ．河南牧业经济学院计算机应用系，河南郑州4 5 0 0 4 4 ) 摘要：针对混凝土松软程度进行及时报警，关系到水利建设的安全。由于在大型水利设施中i 混凝土松软的程度很容易受到 地下水流干扰，使无线传感节点监测到的混凝土松软程度出现无规则的波动，造成报警节点出现误判的问题，提出采用信号 译码重构算法的大型水利设施混凝土松软程度传感网络报警模型。利用信号译码重构的方法对无线传感节点监测到的疑 似信号进行译码与重构，消除水声干扰信号造成的影响，获取准确的混凝土松软程度信号，设置中继节点为参考节点，根据 信号在水中传输情况，随着距离衰落的特性计算报警节点的空间位置，实现混凝土松软程度报警节点的准确定位。实验结 果表明，利用改进算法能够实现大型水利设置中混凝土松软程度的准确监测。 关键词：大型水利工程；混凝土松软程度；报警通信网络；译码重构 中图分类号：T P 3 9 1 ．9 文献标识码：8 L a r g eD e g r e eo fH y d r a u l i cC o n c r e t eS o f tA l a r m C o m m u n i c a t i o nN e t w o r kM o d e lD e s i g n Z H A N GJ i a n —w e i l ，2 ( 1 ．S e h o o lo fI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ，Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y ，z h e n g z h o u H e n a n4 5 0 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to fC o m p u t e rA p p l i c a t i o n ，H e n a nI n s t i t u t eo fA n i m a lH u s b a n d r ya n dE c o n o m i c s ，Z h o n g z h o uH e n a n4 5 0 0 4 4 ，C h i n a ) A B S T R A C T ：T i m e l ya l a r mo fc o n c r e t es o f td e g r e ei sr e l a t e dt ot h es a f e t yo ft h ew a t e rc o n s e r v a n c yc o n s t r u c t i o n ．I n l a r g ew a t e rc o n s e r v a n c yf a c i l i t i e s ，c o n c r e t es o f td e g r e ei sv u l n e r a b l et ot h ei n t e r f e r e n c eo fg r o u n d w a t e rf l o w ，m a k i n g r a n d o mf l u c t u a t i o n so fu s i n gw i r e l e s ss e n s o rn o d e st od e t e c tc o n c r e t es o f td e g r e e ，w h i c hl e a d st h em i s j u d g m e n tp r o b — l e ma p p e a r e di na l a r mn o d e s ．As e n s o rn e t w o r ka l a r mm o d e lo fc o n c r e t es o f td e g r e ei nl a r g ew a t e rc o n s e r v a n c yf a c i l i - t i e sw a sp r o p o s e du s i n gs i g n a ld e c o d i n gr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m ．W eu s e dt h em e t h o do fs i g n a ld e c o d i n gr e e o n s t r u c — t i o nm a k ed e c o d i n ga n dr e c o n s t r u c t i o nf o rs u s p e c t e ds i g n a ld e t e c t e db yw i r e l e s ss e n s o rn o d e s ，e l i m i n a t e dt h ee f f e c t so f a c o u s t i cj a m m i n gs i g n a l ，a n do b t a i n e da c c u r a t es i g n a l so fc o n c r e t es o f td e g r e e ．T h er e l a yn o d eW a Ss e ta st h er e f e r - e n c en o d e ，a c c o r d i n gt ot h et r a n s m i s s i o ns t a t u so fs i g n a li nt h ew a t e r ，t h es p a t i a ll o c a t i o no fa l a r mn o d eW a Sc a l e u l a t - e da c c o r d i n gt Ot h ef e a t u r e so fd i s t a n c ed e c a y ，t or e a l i z et h ea c c u r a t ep o s i t i o n i n go fa l a r mn o d eo fc o n c r e t es o f td e - g r e e ．E x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tu s i n gt h ei m p r o v e da l g o r i t h mc a na c h i e v et h ea c c u r a t em o n i t o r i n go fc o n c r e t es o f t d e g r e ei nl a r g ew a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t ． K E Y W O R D S ：L a r g ew a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t ；C o n c r e t es o f td e g r e e ；A l a r mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ；D e c o d i n gr e e o n — s t r t u c t i o n 1引言 随着人们对绿色能源的不断重视和工业技术水平的不 断提高，大型水利工程建设越来越多⋯。大型水利工程建设 对于缓解能源危机，避免环境污染方面都具有重要的现实意 义[ 2 ] 。大型水利工程在使用的过程中，混凝土松软程度的监 测是极其重要的环节，因为，一旦混凝土松软程度达到一定 数值，将会引起大型水利工程出现漏水、甚至垮塌事故，造成 收稿日期：2 0 1 4 - 0 6 —3 0 ．- - - ——2 8 0 ．- - - —— 重大人员伤亡和财产损失口j 。因此，如何对大型水利工程混 凝土松软程度进行有效监测，已经受到很多专家的高度重 视HJ 。现阶段，主要是采用无线传感通信网络对大型水利混 凝土松软程度进行监测的J 。无线传感网络节点能够感知 混凝土的松软程度的变化，并将这种变化以无线信号的形式 发送到监控中心，完成大型水利混凝土松软程度的监测报 警帕j 。大型水利工程混凝土松软程度报警通信网络模型的 构建方法，已经成为水利领域需要研究的热门问题0 7 - 1 0 ] 。 在大型水利工程中，会存在大量水声干扰信号，这些干 万方数据 扰信号对无线传感节点的通信造成严重干扰，利用传统的方 法进行大型水利混凝土松软程度报警通信网络通信的过程 中，无法避免水声干扰信号造成的影响，造成通信信号不准 确，无法对报警部位进行准确定位，导致混凝土松软程度监 测准确率下降，无法保证大型水利工程的安全。 为了避免上述传统算法的弊端，提出一种基于信号译码 重构算法的大型水利混凝土松软程度报警通信方法。利用 信号译码重构的方法对无线传感节点监测到的信号进行译 码与重构，消除水声干扰信号造成的影响，获取准确的混凝 土松软程度报警信号，设置中继节点为参考节点，根据信号 在水中传输情况，随着距离衰落的特性计算报警节点的空间 位置，实现了混凝土松软程度报警节点的准确定位。实验结 果表明，利用改进算法进行大型水利混凝土松软程度报警通 信网络模型构建，能够极大地提高通信网络的吞吐量，满足 通信系统的实际需求。 2 混凝土松软程度传感网络报警原理 大型水利设施中，混凝土松软程度直接影响水利工程的 安全性。因此，需要对地下混凝土松软程度进行实时监控。 大型水利混凝土松软程度报警通信网络报警的原理如下所 述： 混凝土松软程度报警通信网络主要是采用元线传感节 点构建无线传感网络，在无线传感网络中，传感节点收集到 的混凝土松软程度的信息首先需要发送到中继节点，中继节 点再将信号发送到混凝土松软程度的监控中心，实现了混凝 土松软程度情况的监测。 设置传感节点s 发送到中继节点的混凝土松软程度信号 髫的功率是P ，，中继节点R 接收到该信号，进行译码、重构后， 向监控中心发送重构后的信号的功率是P 2 ，且满足P 。+ 只 = P ，P 为传感节点和中继节点的总功率，为固定值。 由于混凝土松软程度报警通信网络是由多个传感节点 和多个中继节点构成的，因此，需要利用下述公式描述信号 在传输过程中的适应度函数 g ( Z ) = 氏+ f l F f + x F ( 1 ) 其中，g ( 2 ) 用来描述信号传输过程中的第z 个传感节点 的空间位置。氏用来描述该传感节点在传输信号时的功 率，口用来描述混凝土松软程度信号测量误差搿用来描述信 号在传输过程中水声干扰误差。 利用下述公式能够计算信号中的水声干扰信号 尹= 者∑E ( 2 ) n ⋯ 假设大型水利工程的面积是NXN ，传感节点的数目是 P ，中继节点的数目是厶，利用下述公式能够计算中继节点的 取值 L = √嘉√薏笋 c 3 ， 利用下述公式能够计算信号传感节点空间位置 g ( f ) = F 。邯F f + 鲁∑f 。 ( 4 ) ，一㈨1 ‘≠￡ 当传感节点监测的混凝土松软程度信号达到预设阀值 时，利用式( 4 ) 能够准确计算出警报传感节点的位置，完成 大型水利混凝土松软程度的监测报警。但是，大型水利设施 中，混凝土松软的程度很容易受到地下水流干扰，使无线传 感节点监测到的混凝土松软程度出现无规则的波动，造成报 警节点出现误判的问题。 3报警通信网络模型 利用传统算法进行大型水利混凝土松软程度报警通信 网络通信的过程中，无法避免由于水声信号造成的干扰，导 致信号失真严重，最终造成报警传感节点的定位准确性降 低，为此，提出一种基于信号译码重构算法的大型水利混凝 土松软程度报警通信方法。 3 ．1 混凝土松软程度信号解调与重构 在进行大型水利混凝土松软程度报警通信网络通信的 过程中，需要利用无线传感网络节点的中继节点对接收到的 松软程度传感信号进行译码，再对信号进行重构，具体方法 如下所述 利用下述公式能够描述无线传感节点D 接收到的混凝 土松软程度信号 Y ，d = h 础√P 1 戈+ n “ ( 5 ) 利用下述公式能够描述中继节点接收到的传感节点信 号 ％= h ∥~ ／P l 龙+ r t 。， ( 6 ) 利用下述公式能够描述中继节点对接收到的混凝土松 软程度信号的译码信号 Y 矗= h 心√P j 菇+ n 州 ( 7 ) 假设中继节点译码正确，则将该信号进行信号重构。利 用下述公式能够完成混凝土松软程度信号的重构： 互= 警∥警耐 ( 8 ) 茗。] i - d + 1 i 1 耐 ’ 完成信号重构后，中继节点将重构后的混凝土松软程度 信号发送到监控中心，假设中继节点译码不正确，则不向监 控中心发送该信号，并且利用下述公式继续进行混凝土松软 程度信号的译码 羔：堕N ~ ／只正(9)．y 菇= 一 ．JLyJ 根据上述方法，能够对信号进行译码和重构，为消除水 声干扰信号造成的影响提供了准确的数据基础。 3 ．2 水声干扰信号的消除方法 利用下述公式能够描述水声信号的干扰信号 ，( t ) = ~ ／2 ．，c o s ( ∞J t + 妒J ) ( 1 0 ) 其中，t ，能够描述水声干扰信号的功率，∞，和驴J 能够分 别描述水声信号的干扰频率和干扰相位。 假设混凝土松软程度的报警信号为0 ，则接收到的混凝 一2 8 1 — 万方数据 土松软程度信号能够用下述公式进行描述： r ( ￡) = s ( ￡) + J ( ￡) = C Y f i d ( t ) c ( f ) c 。s ( 甜。t ) + 历c o s ( O ) j ￡+ 妒J ) ( 1 1 ) 将上述信号进行解调，能够得到下述公式 r l ( t ) = √2 P d ( ￡) c o s ( ∞o t ) + ，( ￡) c ( ￡)( 1 2 ) 将上述公式与载波信号2 c o s ( w 。t ) 相乘，能够消除高频 分量后的水声干扰信号并( t ) 戈( ￡) = √2 P d ( f ) + √2 ．，c ( t ) c o s ( 如t 一妒J ) ( 1 3 ) 其中，△∞= ∞。一m ，，利用下述公式能够描述乃时刻接 收到的混凝土松软程度信号 ，，( n ) = 参脚￡) d t - + 1 + Y J ( 1 4 ) 其中， Y J = 瓦AJ f 。r a 何c ( t ) c o s ( △小’9 ，) d t ：告^ 俘TJ 、一嘞№( 1 5 ) 2 百√可a d J oc ( t ) c o s ( A m t —p ，彤。 A = 1 ／√西 利用下述公式能够将Y J 描述为一个时间间隔t 中的积 分之和 " 去捂篙c 。C ”t c o s c A e o t - - o j ，也Ⅲ， 其中，”能够是N 个独立随机变量之和，可以近似看作高斯 随机变量。则c f = 0 时，y ( ％) = 1 + " 也能够看作高斯随 机变量，其均值是1 ，旷2 ，为Y ，的方差盯；，，即一= 盯2 ，，。 利用下述公式能够描述，，，的方差： 斋。s 2 ％幽= ∞。一嘶= o Js i n 2 ( a ￡o T ／2 ) 2 P N ( a ∞T ／2 ) 2 l+!!!!!!』：!j!i：：!!!!!!!型一．、：∞。一∞，≠oN 1‘ s i n ( A m r 、”o⋯J。。c ’g d t t l l ／ ( 1 7 ) 假设存在混凝土松软程度的报警信号，经过解调处理 后，则中继节点发送的信号吾f 。( ) d t 的分量y 。是一个均 值是0 、方差为D r ：= N o ／2 P T a 的高斯随机变量。 3 ．3 松软程度报警传感节点的准确定位 设置P ( 戈，) ，) 是混凝土松软程度报警节点，P ( x 。，儿) 是 中继节点A 。的坐标，则中继节点与报警节点的距离越近，中 继节点对报警节点的影响就越大。 利用下述公式能够描述第五个中继节点到报警节点的距 离 ( 黜) i d 0 ( 1 9 ) 其中，a 用来描述信号在传输过程中的损失系数，g 用来描述 W 。与d 。呈现反比例关系的系数，设置参考距离成在大型水 ．．．——2 8 2 ．．．—— 利工程中的取值为1 0 0 m ，利用下述公式能够计算混凝土松 软程度信号的传输模型 P r ( d o ) = 篇 ( 2 0 ) 利用下述公式能够计算报警节点的空间位置 ∑w k p ( x 。，Y k ) P ( x ，Y ) = 上L i —～( 2 1 ) ∑魄 其中，d 的取值是由水声干扰信号决定的。 根据上面阐述的方法，能够构建大型水利混凝土松软程 度报警通信网络模型，根据该模型完成报警节点的空间位 置，保证大型水利混凝土松软程度满足建筑施工的需求。 4实验结果及分析 为了验证改进算法的有效性，需要进行一次实验。实验 在m a t l a b 7 ．1 仿真平台上进行。设置n 小n ，，和n 一是相互独立 的混凝土松软程度报警信号，总功率为P = 3 ，P 。用来描述传 感节点发送到中继节点的信号，P ：用来描述中继节点发送到 监控中心的信号。在实验的过程中，利用不同算法进行大型 水利混凝土松软程度报警通信网络的通信实验。下表1 能 够描述不同的混凝土松软程度值对应的P ，： 表1 不同混凝松软程度对应的P l 将P 。和P ：= 2 一P 。分别发送到中继节点和监控中心的过 程中，仿真获得不同算法的误码率曲线，如图1 所示。 根据上图能够得知，利用改进算法进行大型水利混凝土 松软程度报警通信系统通信的过程中，误码率相对传统算法 更低，这说明改进算法具有现实意义。 在水声干扰信号干扰的作用下，无线传感节点通信信号 的传输时延、载波频率等参数都与水声干扰信号有着密切的 关系。由于大型水利工程中的无线传感节点很多都分布在 万方数据 试验次数／次 图1 不同算法通信信号误码率 水下，因此最大时延逐渐增加，报警传感节点定位的准确性 也逐渐降低。 图2 能够描述报警通信网络的吞吐量变化趋势。从下 图2 能够看出，随着分布在水下的传感节点的数目不断增 加，大型水利混凝土松软程度报警通信网络的整体吞吐量也 不断降低，通信信号的质量也逐渐降低。 节点数目／个 图2 不同算法网络吞吐量变化趋势 利用不同算法对大型水利混凝土松软程度报警通信网 络进行通信实验，获取的报警通信节点的准确率能够用图3 进行描述。 图3 不同算法报警节点定位准确率 根据上图能够得知，改进算法能够有提高大型水利混凝 土松软程度报警通信网络监测的准确率，这是因为改进算法 能够在应用的过程中，首先将松软程度信号进行译码和重 构，根据信号重构结果，根据信号在水中传输情况，依据距离 衰落的特性结合中继节点作为参考节点，通过计算最终获取 报警传感节点的准确位置，提高了监测的准确率。 5 结束语 针对传统算法进行大型水利混凝土松软程度报警通信 网络模型构建的过程中，无法避免水声干扰信号的干扰，导 致混凝土松软程度报警节点定位不准确的弊端，提出一种基 于信号译码重构算法的大型水利混凝土松软程度报警通信 方法。利用信号译码重构的方法对无线传感节点监测信号 进行译码与重构，消除水声干扰信号造成的影响，设置中继 节点为参考节点，根据信号在水中传输情况，随着距离衰落 的特性计算报警节点的空间位置，实现了混凝土松软程度报 警节点的准确定位。实验结果表明，利用改进算法能够对报 警传感节点进行准确定位，为大型水利工程的安全运行提供 了可靠的技术保障。 参考文献： [ 1 ]张婷．无线传感网络中的无线传输系统研究[ J ] ．电子技术与 软件工程，2 0 1 3 ，( 2 4 ) ：2 0 —2 0 ． [ 2 ] 许东，操文元，孙茜．基于C C 2 5 3 0 的环境监测无线传感器网络 节点设计[ J ] ．计算机应用，2 0 1 3 ，3 3 ( 0 2 ) ：1 7 —2 ． [ 3 ] 孙灵芳，关博文．基于无线传感网络的校园水电系统开发[ J ] ． 数字技术与应用，2 0 1 3 ，( 1 ) ：1 8 0 一1 8 ． [ 4 ]丁业平，玉梅，刘胜，杨进，林雪峰．管网检测的无线传感网络 信息采集同步[ J ] ．传感技术学报，2 0 1 3 ，2 6 ( 1 0 ) ：1 4 6 3 —1 4 6 7 ． [ 5 ] 王志伟，钱承山，李俊，丁金卉．基于无线传感网络的智能移动 监控系统设计[ J ] ．电子器件，2 0 1 3 ，3 6 ( 6 ) ：8 7 6 —8 8 0 ． [ 6 ] 赵炬程，李争平，张笛笛，安保统，盂熠华，罗欢，姚宗建．基于 太阳能充电的无线传感网络环境监测仪设计[ J ] ．射频世界， 2 0 1 3 ，( 6 ) ：2 9 —3 1 ． [ 7 ] 杨凌，朱明虎．以数据为中心的无线传感网络分析[ J ] ．信息 通信，2 0 1 3 ，( 1 0 ) ：1 9 —1 9 ． [ 8 ]陶丹，陈后金．移动无线传感网络中基于S i n k 协助的数据采集 算法[ J ] ．北京交通大学学报( 自然科学版) ，2 0 1 3 ，3 7 ( 6 ) ：l 一 7 ． [ 9 ] 杨鹃，韩雪松．无线传感网络节点定位技术[ J ] ．承德石油高 等专科学校学报，2 0 1 3 ，1 5 ( 6 ) ：3 9 —4 3 ． [ 1 0 ]闫会芹，何加铭，郑紫微，曾兴斌．无线传感器网络模糊逻辑 分簇路由协议[ J ] ．无线电通信技术，2 0 1 3 ，3 9 ( 6 ) ：1 8 —2 1 ． [ 作者简介] 张建伟( 1 9 7 0 一) ，男( 汉族) ，河南陕县人，硕士，副 教授，主要研究领域为计算机网络、人工智能。 ．- - 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